Dietrich (Photosynthese) Flashcards
Wie lautet die Reaktionsgleichung für die Photosynthese grüner Pflanzen? Erläutern Sie, inwiefern es sich hierbei um eine Redoxreaktion handelt!
Grüne Pflanzen (besser: Chloroplastida) betreiben oxygene Photosynthese, wobei Kohlendioxid das Oxidationsmittel, Wasser das Reduktionsmittel darstellt:
CO2+ 2 H2O →(CH2O)+ O2+H2O
Reduktion: 𝐶𝑂2+ 4 𝑒 −+ 4 𝐻+ → (𝐶𝐻2𝑂)+𝐻2𝑂
Oxidation: 2 𝐻2𝑂 → 4 𝐻+ 𝑂2+ 4 𝑒 −
(CH2O) sollte besser als C(H2O)n geschrieben werden, da es sich hierbei allgemein um Kohlen-hydrate handelt, und nicht um Formaldehyd! Bezieht man diese Gleichung auf die Synthese von Glucose, so wird erhalten:
6 CO2+ 12 H2O →C6H12O6+ 6 O2+6 H2O
Kann die photosynthetische O2-Produktion in Abwesenheit von CO2 erfolgen? Be-gründen Sie Ihre Angabe.
Ja, das würde funktionieren! Es können auch andere Elektronenakzeptoren als CO2 für die Redox-Reaktion zur Verfügung gestellt werden. Dies kann im Hill-Experiment nachgewiesen werden:
Aufgebrochene Spinatchloroplasten wurden in eine Lösung mit [Fe(CN)6]3- gegeben und belich-tet. Solange nicht alles [Fe(CN)6]3- zu [Fe(CN)6]4- umgesetzt wurde, lässt sich eine O2-Entwicklung beobachten. Hier stellen also die Hexacyanidoferrat(III)-Ionen die Elektronen-Akzeptoren anstelle von CO2 dar:
24 [Fe(CN)6]3−+ 12 H2O→ 24 [Fe(CN)6]4−+ 6 O2+ 24 H+
Wie lässt sich nachweisen, dass der photosynthetisch produzierte Sauerstoff nicht aus dem CO2 sondern aus dem H2O stammt?
Beispielsweise durch eine Tracer-Methode: Sauerstoff besteht natürlich aus den drei (nichtradi-oaktiven) Isotopen 16O, 17O und 18O. Es gibt Methoden diese zu trennen, wodurch dann isoto-penreine Reagenzien erhalten werden können.
Wird CO2 mit isotopenreinem 16O und Wasser mit isotopenreinem 18O verwendet, so ergibt ein Massenspektrum, dass der Sauerstoff im gebildeten Zucker ausschließlich 16O ist, der elemen-tare Sauerstoff ausschließlich aus 18O besteht.
Charakterisieren Sie in Stichworten die Lebensweise von Pflanzen bezüglich ihrer Energiequelle, Kohlenstoffquelle und der Nutzung von Wasserstoff-Donoren.
Energiequelle –> Licht (= phototroph)
Kohlenstoffquelle –> Kohlendioxid (= lithotroph)
Wasserstoff-Donor –> Wasser (= hydrotroph)
Welches ist das erste CO2-Fixierungsprodukt der C3-Photosynthese?
3-Phosphoglycerat
Welches sind die Produkte der photosynthetischen Lichtreaktionen und wo finden sie statt?
Die Lichtreaktion findet an der Thylakoidmembran der Chloroplaste statt.
Produkte: ATP, NADPH, H+, O2
ATP ist Energielieferant, NADPH Reduktionsäquivalent, Protonen dienen zum Aufbau eines elektrochemischen Gradienten an der PM, Sauerstoff ist Abfallprodukt.
1 Mol Photonen der Wellenlänge 400 nm hat einen Energiegehalt von 300 kJ. Wie viel Energie besitzt Licht der Wellenlänge 800 nm (Angabe mit Einheit!)?
Berechnung über den Zusammenhang der Energie mit dem Planckschen Wirkungsquantum, der Lichtgeschwindigkeit und der Wellenlänge möglich:
ca. 150 kJ/mol
Skizzieren und beschreiben Sie das Absorptionsspektrum von Chlorophyll.
Bild
Chlorophyllspektrum: Die beiden Chlorophylle a und b zeigen charakteristische Absorptions-maxima bei 420 nm resp. 480 nm im blauen Bereich (1. Maximum), sowie bei 650 nm und 680 nm im roten Bereich (2. Maximum). D. h. Chlorophylle absorbieren vornehmlich blaues und rotes Licht, während im mittleren Spektralbereich zwischen ca. 500 nm und 650 nm keine Licht-absorption stattfinden.
Im Aktionsspektrum der Photosynthese, das sich summarisch aus den Aktivitäten der beiden Chlorophylle sowie der Carotinoide zusammensetzt, wird diese Grünlücke teilweise geschlos-sen; aus dem abfallenden Peaks der Chlorophylle wird ein „Buckel“. Jenseits von 680 nm fällt die Absorptionsfähigkeit der Pigmente stark ab, da dunkelrotes Licht alleine für die Fotosynthe-se nicht verwertet werden kann (Red drop).
Welche Aussagen sind richtig, welche falsch?
dass Chloroplasten im Dunkeln O2 bilden können.
dass Chloroplasten O2 unabhängig von CO2 bilden können
dass aufgebrochene Chloroplasten im Licht künstliche Elektronenakzeptoren reduzieren
dass Kaliumhexacyanoferrat(III), K3[Fe(CN)6], als Elektronendonator in den Lichtreakti-onen genutzt werden kann.
richtig:
dass Chloroplasten O2 unabhängig von CO2 bilden können
dass aufgebrochene Chloroplasten im Licht künstliche Elektronenakzeptoren reduzieren
falsch:
dass Chloroplasten im Dunkeln O2 bilden können. (Falsch: Dazu ist Licht notwendig)
dass Kaliumhexacyanoferrat(III), K3[Fe(CN)6], als Elektronendonator in den Lichtreakti-onen genutzt werden kann. (Falsch: Der Komplex ist ein Elektronenakzeptor)
Durch welchen Mechanismus gelangt die Energie der Lichtsammelfalle zum Reakti-onszentrum von Photosystem II?
Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Lichtphoton direkt auf das Chlorophyllmolekül im reaktiven Zentrum eines Photosystems fällt, ist sehr gering.
Deswegen gibt es Lichtantennen-Sammelkomplexe, welche aus bis zu 30 Proteinen und ver-schiedenen Pigmenten bestehen, die das Licht zu PS1 oder PS2 weiterleiten. Prinzip: Exzitonentransfer. Dabei wird Energie von einem Pigment zum Nächsten strahlungsfrei über Dipol-Dipol-WW weitergegeben.
Elektronentransfer findet erst im Photosystem statt!
Ist der energetische Wirkungsgrad der Photosynthese grüner Pflanzen bei Bestrah-lung mit rotem oder mit blauem Licht höher? Begründen Sie Ihre Entscheidung.
Wird blaues Licht vom Chlorophyll absorbiert, so kann damit im O-Atom das Elektron in den äußerst kurzlebigen Zustand S2 angehoben werden, aus dem es durch Wärmeabgabe in den Zustand S1 übergeht (der genauso auch durch Absorption von rotem Licht erreicht wird). Singulett-Sauerstoff reagiert dann weiter.
Daher geht bei Bestrahlung mit blauem Licht ein höherer Anteil als Wärme verloren geht, als bei Bestrahlung mit rotem Licht, wobei bei beiden Bestrahlungen exakt derselbe Energiebetrag nutzbar ist.
Nennen Sie drei Antennenpigmente in Chloroplasten grüner Pflanzen!
Chlorophyll a
Chlorophyll b
Carotinoide (Lutetin, Neoxanthin, Violaxanthin)
Beschreiben Sie einen Versuch, mit Hilfe dessen das Aktionsspektrum der Photosyn-these erfasst werden kann.
Engelmann-Versuch: Engelmann spaltete Licht durch ein Prisma in seine Bestandteile und be-strahlte einen Algenfaden (Grünalge: Spirogyra) damit so, dass einzelne Zellen entweder mit blauem, roten, gelben etc. Licht bestrahlt wurden. Die Photosyntheserate an den unterschied-lich bestrahlten Stellen wurde durch die Ermittlung der Höhe des gebildeten Sauerstoffs ermit-telt.
Dazu verwendete Engelmann aerotaktische Bakterien, die sich vermehrt an sauerstoffreichen Stellen sammeln. Sie sammelten sich vor allem an den Stellen des blauen und roten Lichts, wo die Fotosynthese folglich am effektivsten war, dazwischen liegt die sogenannten Grünlücke, weil grünes Licht nicht absorbiert werden kann, diese Stelle mieden die sauerstoffbedürftigen Bakterien.
Geben Sie die Strukturformel von Plastochinon an. Welche Eigenschaften besitzt Plastochinon, wo ist es lokalisiert und wozu dient es während der Lichtreaktionen?
Strukturformel
Plastochinon kommt in der Thylakoidmembran der Chloroplasten vor; es ist dort frei beweg-lich. Es fungiert als Elektronen- und Protonencarrier, wobei diese beiden Spezies von PS II zum Cytochrom b6-f-Komplex transferiert werden. (Beachte die Analogie zum Ubiquinon im Intermembranraum der Mitochondrien bei der oxidativen Phosphorylierung!)
Warum werden für den nichtzyklischen Elektronentransport bei der oxygenen Photo-synthese zwei Photosysteme benötigt?
Die mit PS II aufgenommene Energie an P680 (Chlorophyll, λmax = 680 nm) reicht alleine nicht aus, um die Reduktion von NADP+ zu NADPH bewerkstelligen zu können. Der angeregte P680-Komplex ist hierfür zu schwach, der angeregte P700-Komplex dagegen als Reduktionsmittel stark genug.
